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Hintergrund
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Turbolader für einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Turboladers. Spezifischer bezieht sich die Erfindung auf einen Turbolader, und ein Verfahren zum Betreiben eines Turboladers, der eine variable Turbinengeometrie aufweist.
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Turbolader für Benzin- und Dieselverbrennungsmotoren sind bekannte Vorrichtungen in der Technik zur Druckbeaufschlagung oder Verstärkung des Einlassluftstroms, der in eine Verbrennungskammer des Motors geleitet wird, durch Verwendung des aus dem Motor austretenden Abgasstroms. Insbesondere wird das Abgas, das den Motor verlässt, auf eine Weise in ein Turbinengehäuse eines Turboladers geleitet, dass es eine abgasbetriebene Turbine in dem Gehäuse in Drehung versetzt, wodurch ein auf einer gemeinsamen Welle mit der Turbine montierter Radialluftverdichter angetrieben wird. Ein Turbomotor kann leistungsfähiger und effizienter sein als ein Saugmotor, weil die Turbine mehr Luft und entsprechend mehr Kraftstoff in die Verbrennungskammer zwingt, als der Atmosphärendruck allein.
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Um einen effizienten und leistungsfähigen Betrieb des Motors unter verschiedenen Last- und Geschwindigkeitsbedingungen zu erreichen, erlauben sogenannte Turbolader mit variabler Geometrie (VGT) eine Regelung der Abgasmenge, die durch das Turbinengehäuse geführt wird, durch Variieren der Turbinengeometrie, typischerweise durch selektives Öffnen und Schließen eines Abgaskanals oder Durchgangs zur Turbine. Zum Beispiel wird die Position eines durchflussbegrenzenden Elements durch ein pneumatisches oder elektrisches Stellglied an eine Position gesteuert, die vom Betriebspunkt des Motors abhängt.
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Herkömmlicherweise berücksichtigt eine solche Steuerung nicht Druckpulsationen im Abgaskanal, die vom Betrieb der Zylinder und Ventile des Verbrennungsmotors herrühren, sondern gründet auf Durchschnittsdruckwerten über einen oder mehrere Motorzyklen. Das heißt, das durchflussbegrenzende Element wird auf einen Kompromiss der optimalen Position für die in den Pulsationen auftretenden höchsten und niedrigsten Druckwerte gesetzt. Um mehr von der im pulsierenden Abgasstrom vorhandenen Energie rückzugewinnen, schlägt WO 2006 / 061588 A1 eine Durchflusssteuervorrichtung für einen Turbolader vor, die einen Sensor zum Erfassen eines Maßes für den Turboladereinlassdruck und eine Steuereinheit umfasst, die ausgebildet ist, die Position des Durchflussbegrenzers basierend auf dem im Turboladereinlass erfassten Druck zu steuern.
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Aufgrund der raschen Druckänderungen in den Abgas-Druckpulsationen stellt die Steuerung der Position des Durchflussbegrenzers basierend auf erfasstem Druck jedoch hohe Anforderungen an die zeitliche Auflösung und Verarbeitungsleistung der in der Steuervorrichtung verwendeten Steuereinheit und führt zudem zu hohem elektrischen Stromverbrauch. Es ist daher wünschenswert, das Maß an Verarbeitungsleistung zu reduzieren, das bei Rückgewinnung eines hohen Anteils der im pulsierenden Abgasstrom enthaltenen Energie benötigt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die obige Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Turboladers für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1, und ebenfalls durch einen Turbolader gemäß Anspruch 9 wie auch einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 13.
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Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Betreiben eines Turboladers für einen Verbrennungsmotor bereit, wobei der Turbolader einen veränderlich positionierbaren Durchflussbegrenzer zum Begrenzen eines Durchflusses, abhängig von der Durchflussbegrenzerposition, in einem Turboladereinlass des Turboladers beinhaltet. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Ermittelns einer Betriebspunktvariablen des Verbrennungsmotors, einen Schritt des Steuerns eines ersten Stellglieds, um auf den Durchflussbegrenzer eine erste Stellkraft zum Verändern der Durchflussbegrenzerposition in Abhängigkeit von der Betriebspunktvariablen auszuüben, einen Schritt des Ermittelns einer Kurbelwinkelvariablen des Verbrennungsmotors und einen Schritt des Steuerns eines zweiten Stellglieds, um auf den Durchflussbegrenzer eine zweite Stellkraft zum Verändern der Durchflussbegrenzerposition in Abhängigkeit von der Kurbelwinkelvariablen auszuüben.
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Da der Betriebspunkt des Verbrennungsmotors sich auf einer langsameren Zeitskala als der Zeitskala von Druckpulsationen des Abgases des Verbrennungsmotors ändert, erfordern weder der Schritt des Ermittelns der Betriebspunktvariablen noch der Schritt des Steuerns des ersten Stellglieds hohe Rechenleistung. Ebenso wird keine hohe Rechenleistung für den Schritt des Bestimmens der Kurbelwinkelvariablen benötigt, da der mit der Drehbewegung der Motorkurbelwelle verknüpfte Kurbelwinkel sich, verglichen mit z.B. Druckänderungen aufgrund von Abgaspulsationen, langsam ändert. Darüber hinaus stellen typischerweise Steuervorrichtungen moderner Verbrennungsmotoren, wie sie z.B. in Kraftfahrzeugen verwendet werden, standardmäßig sowohl eine Betriebspunktvariable als auch eine Kurbelwinkelvariable bereit, in welchem Fall keine zusätzliche Verarbeitungsleistung für die Beschaffung dieser Variablen erforderlich ist. Und, weil die erste Stellkraft und die zweite Stellkraft jeweils an den Durchflussbegrenzer angelegt werden, ist auch keine Verarbeitungsleistung zum Berechnen eines komplexen, unregelmäßigen und sich schnell ändernden Steuersignals erforderlich, wie es für die Einstellung der Durchflussbegrenzerposition mit nur einem einzigen Stellglied erforderlich wäre. Folglich ermöglicht es die Erfindung, ohne übermäßigen Einsatz von Rechenleistung und elektrischer Energie bei einem Motor den Ladedruck zu erhöhen, die Dynamik zu verbessern und den Kraftstoffverbrauch zu senken.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Betriebspunktvariable mindestens eines von einer Motorgeschwindigkeit und einer Motorlast des Verbrennungsmotors. Motorgeschwindigkeit und Motorlast werden in typischen Steuervorrichtungen moderner Verbrennungsmotoren standardmäßig bereitgestellt, sodass sie auf einfache Weise erhalten werden können, ohne dass viel Rechenleistung erforderlich wäre. Hierbei können beide Variablen als zusammen die Betriebspunktvariable bildend angesehen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Verfahren weiterhin einen Schritt des Bereitstellens einer Modulationsfunktion, die eine gewünschte Modulation der Durchflussbegrenzerposition definiert, wobei der Schritt des Steuerns des zweiten Stellglieds basierend auf der Modulationsfunktion erfolgt. Dies ermöglicht vorteilhaft, die Funktion als eine Funktion der Zeit bereitzustellen, sodass die Kurbelwinkelvariable für eine längere Zeitspanne nicht ermittelt zu werden braucht. Bevorzugt weist die Modulationsfunktion mindestens einen einstellbaren Parameter zur Einstellung der Modulationsfunktion auf, wobei der Schritt des Bereitstellens der Modulationsfunktion umfasst, den mindestens einen einstellbaren Parameter basierend auf der Betriebspunktvariablen zu ermitteln. Auf diese Weise kann die Modulationsfunktion flexibel an Änderungen der Betriebspunktvariablen angepasst werden, ohne dass viel Rechenleistung erforderlich wäre. Weiter bevorzugt umfasst der mindestens eine einstellbare Parameter mindestens eines von einem Versatz zu einem oberen Totpunkt des Verbrennungsmotors, einem Modulationsausgangsniveau, einer Modulationsamplitude, einer positiven Modulationsamplituden-Rampenzeit, einer negativen Modulationsamplituden-Rampenzeit und einer Modulationsperiode.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Modulationsfunktion im Wesentlichen sinusförmig. Dies ist besonders vorteilhaft, weil die schlichte Sinusform auf einfache Weise verwirklicht werden kann, was die benötigte Rechenleistung weiter verringert. Zum Beispiel kann die Modulationsfunktion durch nur vier Parameter definiert werden, wie etwa durch eine Amplitude, eine Frequenz, einen Versatz zu einem oberen Totpunkt des Motors und eines Ausgangsniveaus der Modulationsfunktion.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird der Schritt des Steuerns des zweiten Stellglieds wahlweise, basierend auf der Betriebspunktvariablen, ausgeführt. Dies ermöglicht, die Durchflussbegrenzerposition entsprechend dem Kurbelwinkel z.B. nur für ausgewählte Betriebspunktbereiche des Verbrennungsmotors zu steuern, wo dies gewünscht ist, und in anderen Bereichen abzuschalten, wo nur der Schritt des Steuerns des ersten Stellglieds entsprechend der Betriebspunktvariablen ausgeführt wird. Auf diese Weise wird ermöglicht, die Steuerung des zweiten Stellglieds zu vereinfachen und effizienter zu machen, da sie spezifisch für die ausgewählten Betriebspunktbereiche bereitgestellt werden kann. Außerdem wird ermöglicht, die Menge an benötigter Rechenleistung zu reduzieren.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Turboladers weist mindestens eines von dem ersten und zweiten Stellglied ein fluidisches Stellglied auf, d.h. ein durch ein Fluid ansteuerbares Stellglied wie ein pneumatisches oder hydraulisches Stellglied. Bevorzugt umfasst das erste Stellglied ein erstes Fluidventil und das zweite Stellglied ein zweites Fluidventil, wobei das erste und zweite Stellglied mit einem selben Fluidzylinder verbunden sind. Auf diese Weise werden die erste Stellkraft und die zweite Stellkraft über nur einen Fluidzylinder gemeinsam auf den Durchflussbegrenzer ausgeübt, was ermöglicht, die mechanische Konstruktion des Turboladers zu vereinfachen sowie seine Zuverlässigkeit zu erhöhen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist das zweite Stellglied einen Exzenter auf. Dies ermöglicht, den Schritt des Steuerns des zweiten Stellglieds auf einfache Weise auszuführen, indem der Exzenter synchronisiert mit der Kurbelwinkelvariablen rotieren gelassen wird, was die Menge an benötigter Rechenleistung erheblich verringert.
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Figurenliste
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- 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Verbrennungsmotors mit einem Turbolader gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Verbrennungsmotors mit einem Turbolader gemäß einer Ausführungsform;
- 2A ist ein schematisches Blockdiagramm eines Verbrennungsmotors mit einem Turbolader gemäß einer Ausführungsform;
- 3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 4 zeigt einen Graphen eines Turbineneinlassdrucks bei einem beispielhaften Turbolader, gemeinsam mit einem Graphen einer Durchflussbegrenzermodulationsfunktion, die in einem Verfahren zum Betreiben des Turboladers gemäß einer Ausführungsform verwendet wird;
- 5 zeigt den Graphen des Turbineneinlassdrucks aus 4, gemeinsam mit einer anderen Durchflussbegrenzermodulationsfunktion, die in einem Verfahren zum Betreiben des Turboladers gemäß einer Ausführungsform verwendet wird; und
- 6 zeigt ein Turbinenkennfeld eines beispielhaften Turboladers gemäß einer Ausführungsform.
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Sofern nicht anders angegeben, bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den Figuren gleiche Elemente.
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Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
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1 zeigt einen Verbrennungsmotor 102 mit einem Turbolader 100, der eine Turbine 101 umfasst, die über einen Turbineneinlass 106 mit einem Abgasauslass des Verbrennungsmotors 102 verbunden ist, wodurch die Einleitung von Abgas aus dem Verbrennungsmotor 102 in die Turbine 101 ermöglicht ist. Wie in allgemeinen Turboladern ist die Turbine 101 eingerichtet, einen Verdichter (nicht gezeigt) des Turboladers 100 zur Druckbeaufschlagung oder Verstärkung eines Einlassluftstroms des Verbrennungsmotors 102 anzutreiben. Innerhalb des Turbineneinlasses 106 der Turbine 101 ist eine veränderlich positionierbarer Durchflussbegrenzer 104 in der Weise angeordnet, dass je nach Stellung des Durchflussbegrenzers 104 der Querschnitt des Turbineneinlasses 106 aufgeweitet oder verengt wird. Der Durchflussbegrenzer 104 kann auf verschiedene Weise durch jede geeignete VGT-Vorrichtung implementiert sein, einschließlich einer Schiebewand, eines Schieberingkolbens, schwenkbarer Schaufeln oder Schiebeschaufeln mit festgemachten Leitschaufeln.
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Zur Betätigung des Durchflussbegrenzers 104, um seine Position zu ändern, umfasst der Turbolader 100 einen pneumatischen Arbeitszylinder 114 mit einem Kolben 115, der über eine erste Stellstange 148 verbunden ist mit einem Exzenter 116, welcher nachfolgend über eine zweite Stellstange 149 mit dem Durchflussbegrenzer 149 verbunden ist. Der Pneumatikzylinder 114 ist über eine Pneumatikleitung 154 mit einem Pneumatikventil 111 verbunden, das wiederum über eine elektrische Steuerleitung 152 mit einer ersten Steuereinheit 138 des Turboladers 100 verbunden ist. Der Exzenter 116 ist über eine Antriebswelle 117 mit einem Elektromotor 118 verbunden, welcher konfiguriert ist, den Exzenter 116 derart anzutreiben, dass der Abstand zwischen der ersten Stellstange 148 und der zweiten Stellstange 149 periodisch verkürzt und verlängert wird. Antrieb verbunden ist. Der Elektromotor 118 ist über eine elektrische Steuerleitung 152' an eine zweite Steuereinheit 139 des Turboladers 100 angeschlossen.
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Der Turbolader 100 weist ferner einen Betriebspunktvariablenermittler 128 zum Ermitteln einer Betriebspunktvariablen 108 des Verbrennungsmotors auf. Die Betriebspunktvariable 108 umfasst mindestens eines von einer Motordrehzahl und einer Motorlast des Verbrennungsmotors 102 und kann weitere Information über den Betriebspunkt umfassen, an dem der Verbrennungsmotor gerade arbeitet. Zum Beispiel kann der Betriebspunktvariablenermittler 128 als Schnittstelle zu einer Steuereinrichtung (nicht gezeigt) ausgebildet sein, die Informationen über den Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 102 bereitstellt. Der Betriebspunktvariablenermittler 128 ist, zur Bereitstellung der Betriebspunktvariablen 108, an die erste Steuereinheit 138 und der zweite Steuereinheit 139 angeschlossen. Ferner weist der Turbolader 100 einen Kurbelwinkelvariablenermittler 129 zum Ermitteln eine Kurbelwinkelvariablen 109 des Verbrennungsmotors. Die Kurbelwinkelvariable 109 beinhaltet Information über die aktuelle Winkelposition einer Kurbelwelle (nicht gezeigt) des Verbrennungsmotors 102, beispielsweise ein Zahlenwert, der den aktuellen Kurbelwellenwinkel oder eine Zeit seit dem letzten Überschreiten einer vorbestimmten Winkelposition, z.B. einen oberen Totpunkt des Verbrennungsmotors 102 ausdrückt. Der Kurbelwinkelvariablenermittler 129 ist zur Bereitstellung der Kurbelwinkelvariablen 109 mit der zweiten Steuereinheit 139 verbunden. Es wird angemerkt, dass die erste 138 und zweite 139 Steuereinheit sowie der Betriebspunktvariablenermittler 128 und der Kurbelwinkelvariablenermittler 129 zwar als Teil des Turboladers 100 betrachtet werden, es aber nicht erforderlich ist, dass diese in räumlicher Nähe z.B. zur Turbine 101 und anderen Teilen des Turboladers 100 installiert sind.
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Im Folgenden wird der Betrieb des in 1 gezeigten Turboladers 100 unter Bezugnahme auf ein beispielhaftes Verfahren zum Betrieb erläutert, das als Ablaufdiagramm in 3 gezeigt ist. Das Verfahren beginnt mit einem anfänglichen Schritt 310 des Startens des Verbrennungsmotors 102, an welchem der Turbolader 100 eingerichtet ist.
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In Schritt 300 werden ermittelt die aktuelle Motordrehzahl und Motorlast als eine Betriebspunktvariable 108, die einen Betriebspunkt widerspiegelt, an dem der Verbrennungsmotor 102 momentan arbeitet. Vom Verbrennungsmotor beschafft der Betriebspunktvariablenermittler 128 die Motordrehzahl und Motorlast z.B. mittels einer geeigneten Schnittstelle (in 1 nicht gezeigt), wie sie beispielsweise ein bordgestütztes Steuerungssystem in einem Kraftfahrzeug (in 1 nicht gezeigt) bereitstellt, in welchem der Verbrennungsmotor 102 installiert ist.
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In Schritt 302 sendet die erste Steuereinheit 138 Steuersignale über die elektrische Steuerleitung 152 zu dem Pneumatikventil 111, welche bewirken, dass das Pneumatikventil 111 Druckluft von einer Druckluftquelle (nicht gezeigt) über die Pneumatikleitung 154 in den Pneumatikzylinder 114 passieren lässt, um den Pneumatikzylinder 114 eine erste Stellkraft 121 auf den innerhalb des Pneumatikzylinders 114 angeordneten Kolben 115 auszuüben. Die erste Stellkraft 121 wird mittels der am Kolben 115 befestigten ersten Stellstange 148 auf den Exzenter 116 und vom Exzenter 116 mittels der zweiten Stellstange 149 auf den Durchflussbegrenzer 104 übertragen. Die erste Steuereinheit 138 steuert die erste Stellkraft 121 in der Weise, dass der Durchflussbegrenzer 104 eine gewünschte Durchflussbegrenzerposition 400 im Turbineneinlass 106 einnimmt, die für den aktuellen Motor-Betriebspunkt gemäß der Motorbetriebspunktvariablen 108 angemessen ist, welche der ersten Steuereinheit 138 in Schritt 300 zugeführt wurde.
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In Schritt 312 beurteilt die zweite Steuereinheit 139, basierend auf der der zweiten Steuereinheit in Schritt 300 zugeführten Motorbetriebspunktvariablen 108, ob der aktuelle Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 102 in einem vorgegebenen Betriebspunktbereich liegt, für den die Durchflussbegrenzerposition 400 synchronisiert mit der Kurbelwinkelvariablen 109 variiert werden soll. Zum Beispiel kann festgelegt sein, dass die Betriebspunktvariable 108 innerhalb des vorgegebenen Betriebspunktbereichs liegen soll, wenn eine durch die Motorbetriebspunktvariable 108 repräsentierte Motorgeschwindigkeit über einem vorbestimmten Schwellwert liegt.
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Wenn in Schritt 312 die zweite Steuereinheit 139 entscheidet, dass der aktuelle Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 102 in dem vorbestimmten Betriebspunkt Bereichs liegt, schreitet das Verfahren zu Schritt 308, worin die zweite Steuereinheit 139 aus der in Schritt 300 abgerufenen aktuellen Motordrehzahl eine Exzenter-Drehzahl bestimmt, mit welcher der Exzenter 116 gedreht werden muss, um Synchronität mit der Kurbeldrehung des Verbrennungsmotors 102 zu erreichen. Hierdurch wird faktisch eine Modulationsfunktion der Zeit bereitgestellt, die eine sinusförmige Modulation der Durchflussbegrenzerposition 400 definiert, wobei die Modulationsfunktion durch die Form des Exzenters 116 und der Exzenter-Drehgeschwindigkeit gegeben ist.
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Dann ermittelt in Schritt 304 der Kurbelwinkelvariablenermittler 129 eine Kurbelwinkelvariable 109, welche Information über den aktuellen Kurbelwellenwinkel des Verbrennungsmotors 102 umfasst, um anschließend die Kurbelwinkelvariable 109 der zweiten Steuereinheit 139 bereitzustellen.
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In Schritt 306 steuert die zweite Steuereinheit 139 den Elektromotor 118 in der Weise, dass der Exzenter 116 in Drehung versetzt wird, was den Abstand zwischen der ersten Stellstange 148 und der zweiten Stellstange 149 entsprechend der in Schritt 304 bereitgestellten sinusförmigen Modulationsfunktion verlängert und verkürzt. Während das Pneumatikventil 111 und der Pneumatikzylinder 114 als ein erstes Stellglied 111, 114 zusammenwirken, das auf den Durchflussbegrenzer 104 die erste Stellkraft 121 ausübt, um die Durchflussbegrenzerposition 400 in Abhängigkeit von der Betriebspunktvariablen 108 zu variieren, wirken auf diese Weise der Elektromotor 118 und der Exzenter 116 als ein zweites Stellglied 116, 118 zusammen, das auf den Durchflussbegrenzer 104 eine zweite Stellkraft ausübt, um 122 die Durchflussbegrenzerposition 400 ferner in Abhängigkeit von der Kurbelwinkelvariablen 109 zu variieren. Während die erste Stellkraft 121 vom Kolben 115 auf den Durchflussbegrenzer 104 über sowohl die erste Stellstange 148 als auch die zweite Stellstange 149 übertragen wird, die durch den Exzenter 116 gekoppelt und im Wesentlichen kollinear angeordnet sind, wird die zweite Stellkraft 122 vom Exzenter 116 auf den Durchflussbegrenzer 104 nur über die zweite Stellstange 149 übertragen. Als Nächstes springt das Verfahren zurück zu Schritt 300.
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Wenn in Schritt 312 die zweite Steuereinheit 139 entscheidet, dass der aktuelle Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 102 nicht in dem vorbestimmten Betriebspunktbereich liegt, schreitet das Verfahren zu Schritt 316. In diesem Schritt schaltet die zweite Steuereinheit 139 den Elektromotor 118 aus, sodass der Exzenter 116 an einer vorbestimmten Halteposition an Laufe seiner Drehung anhält. Sodann springt das Verfahren zurück zu Schritt 300.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turboladers 100. Abweichend von der Ausführungsform der 1 verbindet die erste Stellstange 148 den Kolben 115 unmittelbar mit dem Durchflussbegrenzer 104. Anstelle des Elektromotors 118 und Exzenters 116 der Ausführungsform von 1 umfasst der Turbolader 100 ein weiteres Pneumatikventil 112 zusätzlich zu dem Pneumatikventil 111, das auch in der Ausführungsform von 1 vorhanden ist. Das weitere Pneumatikventil 112 ist über eine weitere elektrische Steuerleitung 152' mit der zweiten Steuereinheit 139 und über eine weitere Pneumatikleitung 154' mit dem Pneumatikzylinder 114 verbunden. Die zweite Steuereinheit 139 ist ausgebildet, Steuersignale über die weitere elektrische Steuerleitung 152' an das Pneumatikventil 112 zu senden, welche bewirken, dass das Pneumatikventil 111 Druckluft von einer Druckluftquelle (nicht gezeigt) über die weitere Pneumatikleitung 154' in den Pneumatikzylinder 114 passieren lässt.
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Im Betrieb lässt bewirkt die Druckluft, die über das weitere Pneumatikventil 112 in den Pneumatikzylinder 114 geleitet wird, dass eine zweite Stellkraft 122 auf den Kolben 115 wirkt, zusammen mit der ersten Stellkraft 121, die durch die über das pneumatische Ventil 111 in den Pneumatikzylinder 114 geleitete Druckluft verursacht wird. Auf diese Weise werden die erste Stellkraft 121 und die zweite Stellkraft 122 miteinander über die erste Stellstange 148 auf den Durchflussbegrenzer 104 übertragen.
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Der Turbolader 100 der in 2 gezeigten Ausführungsform kann im Wesentlichen gemäß dem vorstehend mit Bezug auf 3 beschrieben Verfahren betrieben werden. Hiervon abweichend bestimmt in Schritt 308 die zweite Steuereinheit 139 aus der Betriebspunktvariablen 108, die in Schritt 300 beschafft wurde, ein Modulationsfunktion mit sinusförmiger oder anderer Form, die eine Modulation der Durchflussbegrenzerposition 400 definiert, beispielsweise durch Festlegen einstellbarer Parameter eines vorgegebenen Modulationsprototyps, das die einstellbare Parameter aufweist, um die Modulationsfunktion zu definieren. In Schritt 306 steuert dann die zweite Steuereinheit das weitere Pneumatikventil 112 derart, dass das weitere Pneumatikventil 112 zusammen mit dem Pneumatikzylinder 114 als ein zweites Stellglied 112, 114 wirkt, das äquivalent zu dem zweiten Stellglied 116, 118 in der Ausführungsform von 1 auf den Durchflussbegrenzer 104 die zweite Stellkraft 122 ausübt, um die Durchflussbegrenzerposition 400 abhängig von der Kurbelwinkelvariablen 109 zu variieren. Ebenfalls anders als bei der Ausführungsform von 1 schließt in Schritt 316 die zweite Steuereinheit 139 das weitere Pneumatikventil 112, gefolgt von einem Sprung zurück zu Schritt 300.
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2A zeigt noch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turboladers 100. Abweichend von der Ausführungsform der 2 ist der Pneumatikzylinder 114 als ein doppelwirkender Zylinder ausgebildet, wobei die Pneumatikleitung 154 von dem Pneumatikventil 111 und die weitere Pneumatikleitung 154' von dem weiteren Pneumatikventil 112 auf gegenüberliegenden Seiten des Kolbens 115 mit dem Pneumatikzylinder 114 verbunden sind. Aufgrund dieser Konfiguration wirken die erste Stellkraft 121 und die zweite Stellkraft 122 aus entgegengesetzten Richtungen auf den Kolben 115. Daher ist der Betrag der über die erste Stellstange 148 auf den Durchflussbegrenzer 104 übertragenen Kraft, die durch Vektoraddition der ersten und zweiten Stellkraft 121, 122 erhalten wird, gleich dem Differenzbetrag zwischen dem Betrag der ersten Stellkraft 121 und dem Betrag der zweiten Stellkraft 122.
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Während die Ausführungsformen von 1, 2 und 2A beispielhaft als mit einem Pneumatikzylinder 114 ausgestattet beschrieben wurden, kann in alternativen Ausführungsformen der Pneumatikzylinder 114 durch eine andere Art von Fluidzylinder wie einen Hydraulikzylinder ersetzt sein. In solchen Ausführungsformen sind die Pneumatikleitungen 154, 154' und Pneumatikventile 111, 112 für das verwendete Fluid konfiguriert, wie für ein Hydraulikfluid konfigurierte Pneumatikleitungen und -ventile. Darüber hinaus sind hybride Ausführungsformen ermöglicht, bei welchen z.B. die erste Stellkraft 121 hydraulisch erzeugt und die zweite Stellkraft 122 pneumatisch erzeugt wird - oder umgekehrt -, entweder durch getrennte pneumatische und hydraulische Zylinder oder durch Verwendung eines Hybridzylinders mit einem Kolben, der von verschiedenen Fluiden beaufschlagt wird, z.B. von gegenüberliegenden Seiten.
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5 zeigt entlang einer gemeinsamen horizontalen Achse, die den Kurbelwinkel definiert, wie er z.B. in einer beliebigen der oben beschriebenen Ausführungsformen in der Kurbelwinkelvariablen 109 bereitgestellt wird, und einer oberen vertikalen Achse 406, die den Abgasdruck definiert, ein typisches Variieren des Abgasdrucks 407 an der Auspufföffnung eines Verbrennungsmotors wie beispielsweise des Verbrennungsmotors 102 in den obigen Ausführungsformen. In der unteren Hälfte, entlang einer die Durchflussbegrenzerposition 400 definierenden unteren vertikalen Achse, zeigt 4 ein dazu passendes Beispiel einer Modulationsfunktion 402 in Sinusform, wie sie in jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden kann. Zum Beispiel würde sich in der Ausführungsform von 1 eine im Wesentlichen wie gezeigte sinusförmige Modulationsfunktion ergeben, indem der Exzenter 116 mit der doppelten Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 102 rotieren gelassen und darüber hinaus die Modulationsfunktion mit dem Kurbelwinkel durch Steuern des Elektromotors 118 derart synchronisiert wird, dass ein vorgeschriebener Winkelversatz 411 vom oberen Totpunkt 404 des Verbrennungsmotors 102 beibehalten wird. Auf diese Weise ergibt sich eine sinusförmige Modulation der Durchflussbegrenzerposition 400 um ein Ausgangsniveau 412, welches in Übereinstimmung mit dem Betriebspunkt des Verbrennungsmotors gesteuert wird, mit einer Periode 416, die einer Halbkreisdrehung des Kurbelwinkels entspricht. In der Ausführungsform von 1 ist die Amplitude 413 der Modulationsfunktion durch Auswahl eines geeignet bemessenen Exzenters 116 festgelegt, wogegen in anderen Ausführungsformen wie der Ausführungsform von 2 die Amplitude 413 dynamisch auf unterschiedliche Werte in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt des Verbrennungsmotors eingestellt werden kann.
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4 zeigt ein Diagramm im Wesentlichen wie das Diagramm in 5, wobei um eine andere Ausführungsform bereitzustellen, die sinusförmige Modulationsfunktion 402 von 4 durch eine Modulationsfunktion 402 komplexerer Form ersetzt wurde. Die Modulationsfunktion 402 der vorliegenden Ausführungsform folgt der Änderung des Abgasdrucks 407 mit dem Kurbelwinkel. Eine Modulationsfunktion 402 mit dieser Form oder einer beliebigen anderen Form kann z.B. in einem wie in 2 dargestellten Turbolader verwendet werden. Wie gezeigt kann die Modulationsfunktion 402 dynamisch durch Setzen einstellbarer Parameter 411-416 in einem vorbestimmten Funktionsprototyp vorgesehen sein. Neben einem Versatz 411 vom oberen Totpunkt, einem Ausgangsniveau 12, einer Amplitude 413 und einer Periode 416 werden in der vorliegenden Ausführungsform eine positive Rampenzeit 414, während der die Modulationsfunktion 402 ansteigt, und eine negative Rampenzeit 415, während der die Modulationsfunktion 402 abfällt, eingesetzt. Wenn wie in der vorliegenden Ausführungsform die Summe der positiven Rampenzeit 414 und der negativen Rampenzeit 415 gleich der Periode 416 ist, kann einer der drei Parameter 414-416 durch eine Kombination der beiden verbleibenden ersetzt werden.
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6 zeigt ein Turbinenkennfeld eines beispielhaften Turboladers wie des Turboladers gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen. Die horizontale Achse definiert einen korrigierten Fluss 600, während die vertikale Achse das Turbinendruckverhältnis bestimmt. Im Turbinenkennfeld gezeigt sind Turbinenwirkungsgradlinien 604, erkennbar an gerahmten Etiketten mit dem Zahlenwert des Turbinenwirkungsgrads, und Durchflussbegrenzerpositionslinien 606, erkennbar an ungerahmten Etiketten mit einem Zahlenwert für die Durchflussbegrenzerposition, wobei 0,00 einem vollständig geschlossenen Turbineneinlass und 1,00 einem vollständig geöffneten Turbineneinlass entspricht.
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Als Beispiel für mögliche Betriebspunkte des Verbrennungsmotors, an welcher der Turbolader eingerichtet ist, sind auf dem Turbinenkennfeld ein erster Betriebspunkt 611 und ein zweiter Betriebspunkt 612 markiert. Um durch Modulieren der Durchflussbegrenzerposition wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen einen höheren Wirkungsgrad der Turbine zu erreichen, wäre am ersten Betriebspunkt 611 eine Modulationsfunktion wirkungsvoll, die den Turbineneinlass weiter öffnet, wenn bei den Druckpulsationen der Abgasdruck am Abgasauslass des Verbrennungsmotors steigt, und den Turbineneinlass weiter schließt, wenn der Abgasdruck am Abgasauslass fällt. Im Gegensatz hierzu wäre am zweiten Betriebspunkt 612 eine Modulationsfunktion wirkungsvoll, die den Turbineneinlass weiter schließt, wenn in den Druckpulsationen der Abgasdruck am Abgasauslass ansteigt, und den Turbineneinlass weiter öffnet, wenn der Abgasdruck am Abgasauslass fällt. Beide Arten von Modulationsfunktion können von jeder der obigen Ausführungsformen bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann in der Ausführungsform von 1 der Versatz der sinusförmigen Modulationsfunktion, die durch den Elektromotor 118 und Exzenter 116 bereitgestellt wird, im ersten Betriebspunkt 611 so gewählt werden, dass Maxima der Modulationsfunktion, die einem maximal geöffneten Turbineneinlass entsprechen, mit Maxima der Druckpulsationen am Abgasauslass zusammenfallen, während am zweiten Betriebspunkt 612 der Versatz der sinusförmigen Modulationsfunktion so gewählt werden kann, dass Minima der Modulationsfunktion, die einem maximal geschlossenen Turbineneinlass entsprechen, mit Maxima der Druckpulsationen am Abgasauslass zusammenfallen.
